必威Betway中文楊濤課題組，在氫氣能源制取和利用方面取得新進展，設(shè)計合成過渡金屬基和貴金屬基高性能催化材料。研究成果陸續(xù)發(fā)表在Applied Catalysis B: Environmental (IF=19.503)和Chemical Engineering Journal (IF=13.273)。公司2019級碩士研究生朱自政和2018級碩士研究生王藝慧是實驗的主要完成人，對課題研究做出重要貢獻，分別為論文的第一作者，楊濤教授為論文的通訊作者。

1. 過渡金屬基催化材料

很多過渡金屬（除貴金屬以外）材料在堿性條件下顯現(xiàn)出優(yōu)秀的電解水催化活性，這使開發(fā)更為豐富的低成本電解水催化材料成為可能。如何提高過渡金屬基催化材料的性能，降低電能消耗一直是科學界和產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的重大科學問題。當兩種過渡金屬原子形成合金時，一方面在電負性差異的作用下，左側(cè)元素的價層電子會進入到右側(cè)元素的原子軌道，另一方面在廣義Lewis acid-base作用下，左側(cè)元素原子的空軌道會吸納右側(cè)元素的價層電子。即元素周期表上不同位置的元素之間的外層電子會發(fā)生流動，并且這種流動會受到非金屬元素的調(diào)控。課題組2019級研究生朱自政同學通過大量的試驗論證，耗時18個月，在鈷-釩體系中引入磷，實現(xiàn)d電子結(jié)構(gòu)和能量狀態(tài)的最優(yōu)化。僅需要98 mV的超小過電勢就達到10 mA/cm²的析氫電流，僅需要230 mV的超小電勢就獲得100 mA/cm²的析氧電流，性能優(yōu)于目前報道的大部分過渡金屬基催化劑。該實驗結(jié)果與DFT的模擬計算結(jié)果高度吻合。該研究所提出的非金屬參與調(diào)控d電子雙向流動策略有望用于其他過渡金屬催化體系的優(yōu)化設(shè)計。相關(guān)成果發(fā)表在國際權(quán)威期刊Applied Catalysis B: Environmental, 304 (2022) 120985 (IF=19.503)。

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2021.120985

      2. 貴金屬基催化材料

酸性電解質(zhì)具有快速的質(zhì)子耦合速率和低的水分解過電位，在一些特殊應(yīng)用場合仍不可替代。但由于高電位下的強腐蝕性，酸性電解質(zhì)環(huán)境一直是貴金屬催化劑的主戰(zhàn)場。如何提高貴金屬的利用率和活性，直接關(guān)系到電解水的成本和貴金屬的可持續(xù)性利用。貴金屬銠本身對氧還原，氫析出和氧析出反應(yīng)具有優(yōu)秀的電催化性能。當缺電子且半徑較小的硼原子進入到銠的晶格后，會打破還來的有序性，形成新的晶體結(jié)構(gòu)。更為重要的是硼原子的p軌道會和銠的d軌道形成強烈的雜化作用，導致電子離域和表面吸附強度的變化。本課題組2018級研究生王藝慧同學歷時16個月，對此進行了大量的試驗研究，同時該同學將其之前的研究成果-限域生長機理(Nanoscale, 2019, 11, 23206–23216)融入其中。合成了多孔銠八面體納米顆粒，然后通過硼的引入改變晶體結(jié)構(gòu)，優(yōu)化催化性能。該實驗結(jié)果與DFT的模擬計算結(jié)果高度吻合。相關(guān)成果發(fā)表在國際權(quán)威期刊Chemical Engineering Journal 435 (2022) 134982 (IF=12.273)。

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.134982